含腐蝕缺陷管道安全性研究

李孟渚(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院， 四川 成都 610500)

含腐蝕缺陷管道安全性研究

李孟渚(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院， 四川 成都 610500)

管道在運輸過程中，腐蝕使其出現(xiàn)穿孔、斷裂等現(xiàn)象極其常見，這些現(xiàn)象很容易造成嚴(yán)重的事故和帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國管道嚴(yán)重老化，運行年限超過20年的在役長輸管道占國內(nèi)長輸管道的62%，有必要對含缺陷管道進(jìn)行安全性研究,以便為管道的腐蝕預(yù)防與防護(hù)起到良好作用。

腐蝕缺陷;管道;剩余強度

1 管道腐蝕簡介

管道腐蝕現(xiàn)象是在環(huán)境作用下引起管道破壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，這些破壞變質(zhì)可看作是化學(xué)反應(yīng)造成的管道材料流失及管線部件甚至整個管線系統(tǒng)失效。在管線系統(tǒng)中，腐蝕是指基于特定路徑的環(huán)境中，導(dǎo)致管線損壞和其它材料流失的發(fā)生在金屬和非金屬材料中的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)和微生物的侵蝕。

2 管道腐蝕分類

內(nèi)壁腐蝕發(fā)生在管道內(nèi)部，常見內(nèi)壁腐蝕有：點蝕、均勻腐蝕、流動腐蝕。點蝕集中在管道表面小范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致管線穿孔；均勻腐蝕發(fā)生在管道材料全部或大部分面積上使管道整體減薄，因易發(fā)現(xiàn)控制屬危險性較小的腐蝕；流動腐蝕發(fā)生在管道底部。同樣具有點蝕和均勻腐蝕之分的外壁腐蝕發(fā)生在管道的外壁，腐蝕程度與管道所處環(huán)境相關(guān)。局部腐蝕集中發(fā)生在金屬表面局部區(qū)域上。雖然重量損失比均勻腐蝕小，但因可導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的不緊密或發(fā)生穿孔現(xiàn)象增大了其危險性。按管道被腐蝕部位分為內(nèi)壁腐蝕和外壁腐蝕；按管道腐蝕形態(tài)分為全面腐蝕和局部腐蝕；按管道腐蝕機理分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

圖1 管道腐蝕缺陷類型劃分

3 管道腐蝕控制

為管道壁厚，mm。

②缺陷區(qū)域允許的最大縱向長度

對連成片區(qū)的缺陷，10%t≤d≤80%t時缺陷在管道軸向的延伸長度不宜超過式(2)的計算數(shù)值。

對管道腐蝕的控制需遵從：調(diào)查腐蝕因素后通過正確選用金屬材料、合理布置管道線路和使用覆蓋層、通過介質(zhì)處理采用陰極保護(hù)或添加緩蝕劑確定技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防腐措施，再穩(wěn)妥采用防腐新技術(shù)，在遵守技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的前提下進(jìn)行防腐工程設(shè)計。

4 含缺陷管道剩余強度評價

(1)剩余強度評價 管道剩余強度可評價管道的安全可靠性。剩余強度評價以管道檢測為基礎(chǔ)，分析檢測到的缺陷能否在該管道的操作壓力下存在，以及在此操作壓力下允許存在的最大缺陷尺寸，為管道的安全管理提供可靠依據(jù)。

圖1所示按管道腐蝕尺寸對其類型進(jìn)行劃分，結(jié)合API_1163金屬損失特征，以最大點蝕尺寸的腐蝕缺陷為例進(jìn)行管道剩余強度評價。該點蝕形狀為長度與寬度均為3mm、深度為3mm的球形點蝕凹坑。管道基本參數(shù)為：20號鋼、Φ60×4mm、E=2.06e5MPa、泊松比0.3、屈服輕度245Mpa、運行壓力4Mpa。

(2)管道剩余強度評價的主要參數(shù)

①腐蝕缺陷相對深度

式中：L為管道缺陷區(qū)域允許的最大縱向長度，mm；D為管

道的公稱外徑，mm；B為與缺陷相對深度有關(guān)的系數(shù)，

10% ≤dt≤17.5%，B=4.0； dt＞17.5%，B=d/t1.1dt-

0.152 -1。

若實測缺陷區(qū)域最大縱向長度Lm＜L，說明此缺陷處管道的剩余強度能滿足要求；反之需要補強、換管或降壓等。

③缺陷區(qū)域允許最大運行壓力

式中：Lm為管道缺陷區(qū)域?qū)嶋H測量的最大縱向長度，mm。

根據(jù)B＇的不同，缺陷區(qū)域允許最大運行壓力(MAOP)的計算方法也不同，具體如下：

a.當(dāng)B＇≤4.0時：

式中：dt為缺陷相對深度，%；d為管道缺陷最大深度，mm；t

式中：Ps為腐蝕缺陷區(qū)域最大安全工作壓力，MPa；Pt為運行管道在沒受腐蝕下承受的最大壓力，MPa；P為運行管道在沒受腐蝕下最大運行壓力與Pt兩者中的較大值，MPa；Sy為被測管道的最小屈服強度，MPa；F為管道設(shè)計系數(shù)，無量綱。

b.當(dāng)B＇＞4.0時：

式(4)和(6)僅限于參數(shù)P=Pt的情況。若MAOP≤Ps，則此缺陷管道可使用，反之需修補或降低管道運行壓力。

(3)計算結(jié)果及分析 腐蝕缺陷相對深度為dt=75%；允許最大縱向長度為L=6.19mm；允許最大運行壓力Ps=4.185MPa；通過計算得到管道剩余強度評價主要參數(shù)，對比最大點蝕尺寸及管道運行壓力可以判定：含有該缺陷的管道仍然可以使用。

(4)有限元仿真計算 ①腐蝕管道有限元模型的建立。實際工程中被腐蝕處及其附近首先發(fā)生破壞，因缺陷附近所受的應(yīng)力較大的緣故，所以在模擬中通常取有缺陷的管段。在PROE中建立的模型如圖2所示。②網(wǎng)格劃分及材料設(shè)置。網(wǎng)格劃分是有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析時非常重要的步驟，網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響數(shù)值計算的精度。本文對管道進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，對腐蝕區(qū)域網(wǎng)格加密。模型的網(wǎng)格劃分如圖3、圖4所示。

圖2 腐蝕管道幾何模型示意圖

圖3 缺陷管道模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 腐蝕缺陷網(wǎng)格劃分示意圖

在workbench中新建材料：20號鋼，定義材料屬性如圖5所示。

圖5 管道材料屬性設(shè)置

③邊界條件設(shè)置。本文結(jié)合已有的腐蝕管道的腐蝕情況和結(jié)構(gòu)特點，做出如下基本假定：

A. 不考慮腐蝕管道在正常運行中液體對管道的作用；B.輸送高溫介質(zhì)時，溫度產(chǎn)生熱應(yīng)力，不考慮熱應(yīng)力對管道的影響；C.本次對管道剩余強度的 ANSYS 模擬僅計算管道內(nèi)壓，不考慮集中載荷、管道本身自重、靜水壓力、土壤應(yīng)力等。

在管道兩端施加固定約束，在管道內(nèi)表面施加管道內(nèi)壓(4Mpa)，邊界條件的設(shè)定如圖6所示。

④求解結(jié)果及分析

圖6 邊界條件設(shè)定

圖7 求解結(jié)果示意圖

（題目文章：含腐蝕缺陷管道安全性研究）

5 結(jié)論

圖7可看出，該含腐蝕缺陷管道在正常運行壓力(4MPa)下，其最大應(yīng)力為104.24MPa，該值小于管道材料(20號鋼)的屈服強度(245MPa)。在忽略管道腐蝕速率影響的情況下，說明該管道仍可在該運行壓力下正常工作，有限元分析也驗證了管道剩余強度評價的可行性。

①本文簡略介紹了管道腐蝕定義、類型及腐蝕的控制等。②對含最大點蝕尺寸的Φ60×4mm管道進(jìn)行剩余強度評價，計算得出該缺陷管道仍可在管道運行壓力下正常工作。③利用有限元分析法得到管道最大應(yīng)力低于屈服強度，驗證了管道剩余強度評價的可行性。